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近年来，基于胚胎干细胞体外构建的“类囊胚”、“类原肠胚”以及“躯干样结构”等胚胎类似模子[1-3]，资助人们越发深入地明确脊椎动物形态爆发的机制，同时也为研究发育相关疾病提供了增补模子
。现在，这些体外模子能够重现和模拟体内主要的发育生物学事务，例如：体轴建设、胚层分解和细胞的定向运动等
。然而，现在尚没有较好的要领在体外诱导出脊椎动物较为完整的头部结构，其可能的缘故原由是现在的模子都未能充分模拟原肠运动历程中一些很是主要的发育学事务，例如：胚孔的形成和中内胚层的内卷运动，这些历程关于神经外胚层的准确诱导和图式形成施展主要的功效
。

2023年4月4日，浙江大学医学院徐鹏飞团队与哈佛大学医学院Sean G. Megason团队相助，在Cell Reports上揭晓题为"Nodal coordinates the anterior-posterior patterning of germ layers and induces head formation in zebrafish explants" 的研究论文，报道了使用斑马鱼胚胎干细胞体外构建一个头部类似结构
。

徐鹏飞团队之前的研究报道在斑马鱼胚胎动物极顶的囊胚细胞或者是斑马鱼胚胎外植体（Explant）中构建Nodal和Bmp两种形态爆发素（Morphogen）的浓度梯度能够诱导一个完整的胚胎体轴[4]，可是这两种形态爆发素各自施展什么功效仍不清晰
。在小鼠胚胎干细胞团中构建BMP4的浓度梯度，细胞团会发育成类似于神经爆发时期的小鼠胚胎，但缺乏脑部组织，尤其是前脑[5]
。在本研究中，研究职员在斑马鱼外植体中构建Nodal信号的浓度梯度，通过活体成像手艺和Imaris定量剖析，发明Nodal会诱导外植体爆发胚胎原肠运动时期要害的细胞运动，集中延伸运动和内卷运动（图1）
。

图1 Nodal在斑马鱼外植体中诱导集中延伸运动和内卷运动
。

研究职员继续通过单细胞转录组测序和原位杂交手艺，构建了从原肠前期到器官天生时期Nodal外植体的细胞分子和空间图示的高区分动态图谱
。通过进一步剖析发明：Nodal诱导的中内胚层细胞，包括：前部内胚层、前脊索板、脊索以及类尾牙位于外植体中心沿着前-后轴依次排列
。令人惊讶的是位于外植体外围的神经外胚层细胞同样沿着前-后轴依次特化为前脑、中脑、后脑和脊髓
。Nodal外植体在原肠运动时期逐步发育成一个头部类似结构（Head Like Structure）（图2）
。

图2 Nodal外植体原肠末期（10 hpf）细胞分子和空间图式图谱

通过bulk RNAseq和腹侧过表达实验，研究职员剖析了Nodal施展“组织者”功效的分子基础，他们筛选获得105个Nodal下游靶基因，其中有14个基因具有第二体轴诱导能力，其中5个基因能够诱导完整或部分的头部结构（图3）
。

图3 Nodal施展“组织者”功效的分子基础

此项研究不但资助我们进一步明确脊椎动物的头部发育，更主要的是，为体外诱导脊椎动物头部爆发提供了可行的战略，这将为更进一步研究脊椎动物头部发育和相关疾病提供了一个优良的模子
。同时，这项事情提供了大宗的转录组数据和原位杂交数据，为我们进一步剖析脊椎动物胚胎发育历程中胚层分解的分子机制、头部图式形成以及Nodal下游的信号通路提供了名贵的数据资源
。这些体外类胚胎手艺的成熟与前进将会进一步推进器官移植和再生医学的生长
。

浙江大学徐鹏飞教授和美国哈佛大学医学院Sean G. Megason教授为本文的配合通讯作者，浙江大学医学院程涛博士和邢延奕博士为论文的配合第一作者
。该研究受到科技部重点研发妄想、国家自然科学基金等项目的资助
。该事情致敬著名的发育生物学家Bernard Thisse教授（1959-2021）
。研究历程中还受到弗吉尼亚大学Christine Thisse教授，浙江大学马骏教授、杨小杭教授和管敏鑫教授的鼎力大举支持
。

参考文献：

1. Beccari, L., Moris, N., Girgin, M., Turner, D.A., Baillie-Johnson, P., Cossy, A.C., Lutolf, M.P., Duboule, D., and Arias, A.M. (2018). Multi-axial self-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids. Nature 562, 272-276. 10.1038/s41586-018-0578-0.

2. Moris, N., Anlas, K., van den Brink, S.C., Alemany, A., Schroder, J., Ghimire, S., Balayo, T., van Oudenaarden, A., and Martinez Arias, A. (2020). An in vitro model of early anteroposterior organization during human development. Nature 582, 410-415. 10.1038/s41586-020-2383-9.

3. Veenvliet, J.V., Bolondi, A., Kretzmer, H., Haut, L., Scholze-Wittler, M., Schifferl, D., Koch, F., Guignard, L., Kumar, A.S., Pustet, M., et al. (2020). Mouse embryonic stem cells self-organize into trunk-like structures with neural tube and somites. Science (New York, N.Y.) 370. 10.1126/science.aba4937.

4. Xu, P.F., Houssin, N., Ferri-Lagneau, K.F., Thisse, B., and Thisse, C. (2014). Construction of a vertebrate embryo from two opposing morphogen gradients. Science (New York, N.Y.) 344, 87-89. 10.1126/science.1248252.

5. Xu, P.F., Borges, R.M., Fillatre, J., de Oliveira-Melo, M., Cheng, T., Thisse, B., and Thisse, C. (2021). Construction of a mammalian embryo model from stem cells organized by a morphogen signalling centre. Nature communications 12, 3277. 10.1038/s41467-021-23653-4.